“套娃”碳管助力电子器件小型化 | 科技前线

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所“一维材料组装体及其高性能器件”研究团队，联合国外科研团队设计构筑了一种类似于“俄罗斯套娃”的多壳层同轴三维碳管阵列电极，刷新了滤波超级电容器面积比电容的纪录，成果发表于《焦耳》。

我们的城市供电系统为交流电，而电视机、电脑和智能手机等充电时需要直流电源供电。要保证这些电子设备正常平稳运行，就需要滤波电容器来滤除整流后电压信号中的纹波，才能得到平滑恒定的直流供电电源。

滤波电容器就像一个大的蓄水池，通过迅速吸收和排出水流，将原本波涛汹涌的海面迅速变得风平浪静。因此，滤波电容器可以过滤掉电信号中不稳定（波动）的部分，让电子设备得到稳定而持久的电力供应，这就是“滤波电容器”的作用。滤波电容器的品质、体积大小等至关重要。

▲交/直流电转换过程 图片来源网络

让“大块头”变小

目前，最常见的商用滤波电容器是铝电解电容器。它具有频率响应非常快、制造工艺和技术成熟等特点，应用广泛，基本能够满足一般的滤波需求。

但铝电解电容器的重要指标“比电容”太低，导致其体积庞大，在“寸土寸金”的电路板中是不折不扣的“大块头”，难以适应当前电子设备小型化的发展趋势。

▲集成电路中的铝电解电容器 图片来源网络

在此前的研究工作中，中国科学院合肥物质科学研究院发明了一种三维互连碳管组成的网格膜电极 ，研制出了能够实现快速频率响应的“滤波超级电容器”。该成果为小型化滤波电容器的研究开辟了一条新赛道，让“大块头”有了变小的希望。

“套娃式”结构设计

基于此前的工作基础，研究团队设计构筑了一种多壳层同轴三维碳管阵列电极，刷新了滤波超级电容器“面积比电容”的纪录。

▲科学家构筑类似于“套娃结构”碳管电极用于小型化滤波电容器

科研团队从“俄罗斯套娃”获得灵感，设计创造了一种类似于“套娃”碳管的纵横互连三维阵列电极。

与之前的单层结构碳管相比，这种独特的“套娃”结构同轴碳管，增大了离子可接触的面积，能够提供更多的电解液离子“吸附位置”，使得电容器可以存储更多的电能。

▲单层结构三维碳管表征图（左） 三层“套娃”结构三维碳管表征图（右）

同时，“套娃”碳管中相邻碳层之间笔直的“离子高速公路”，可以使离子在电极内部快速穿梭，迅速到达“吸附位置”，实现快速储能。反之，也可快速放电，从而实现快速充-放电响应，满足滤波电容器对频率快速响应的要求。

大量实验研究表明，当各种复杂的交流信号通过这种由“套娃”结构碳管阵列电极制成的对称型双电层超级电容器时，它可以瞬间把起伏的电压信号变得平滑稳定，有效地消除了电压波动，能为各类电子设备提供高质量的稳定直流电源。

小体积 大能量

这种由独特的“套娃”结构碳管三维互连阵列电极构建的电容器，不仅能轻松应对低频信号的波动，还具有令人满意的“比电容” 。

经过反复测试发现，这种新结构的电容器，不仅“个头”体积比传统的商用铝电解电容器小，而且容量更大，其重要指标“比电容”较传统电容器（每平方厘米约0.08毫法）高出两个数量级，达到每平方厘米3.08毫法，也高于其他“三明治构型”的滤波“超级电容器”，这有助于电子器件向小型化、轻量化发展。

该研究工作为研发兼具高容量和快速频率响应的下一代小型化高性能滤波电容器开辟了新途径。

参考文献

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(24)00053-9

来源：中国科学院合肥物质科学研究院

责编：宋同舟 曹旸